JP6904872B2

JP6904872B2 - 波面計測装置、波面計測方法、及び光学系の製造方法

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Publication number: JP6904872B2
Application number: JP2017194695A
Authority: JP
Inventors: 杉本　智洋; 智洋杉本
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2017-10-04
Filing date: 2017-10-04
Publication date: 2021-07-21
Anticipated expiration: 2037-10-04
Also published as: JP2019066428A

Description

本発明は、光学系の透過波面を計測する波面計測装置に関する。

複数の光学素子によって構成された光学系は、各光学素子の配置精度が光学性能に影響する。所望の光学性能を実現するために、光学系の透過波面を計測し、各光学素子の位置を調整する技術が開発されている。

特許文献１で開示された計測装置では、被検光学系に光束を照射し、被検光学系から射出した光束の波面データを取得し、波面データから所定の収差成分を抽出し、偏芯収差感度を用いて光学素子の偏芯量を算出している。特許文献１では、被検光学系の回転や照射位置の移動によって計測条件を変化させて、被検光学系の複数の画角の波面データを取得している。

特許文献２で開示された計測装置では、結像光学系の光軸に垂直な面内の複数の測定点に関して、レンズとミラーを複数組配置し、複数の画角の透過波面を同時に計測している。

特開２０１６−９５３１６号公報特開２００２−２２６０８号公報

特許文献１に開示された計測装置では、被検光学系の複数の画角の波面データを取得する際に被検光学系の回転や光束の照射位置の移動を伴うので計測時間が長い。そのため、波面データの取得と被検光学系内の光学素子の調整を繰り返し行う作業には適していない。

特許文献２に開示された計測装置では、ミラーを光軸に垂直な面内に並列に配置することで、被検光学系の複数の画角の透過波面の同時計測を可能にしている。しかし、このミラーの並列配置の方法を焦点距離の長い被検光学系に適用する場合、被検光学系とミラーの間の距離を長くしなければならない。被検光学系とミラーの間の距離が長いと、空気揺らぎ、熱膨張、振動の影響が大きくなり、計測精度が低下する。

本発明は、光学系の複数の画角の透過波面を高速に計測することができる波面計測装置を提供することを例示的な目的とする。

本発明の一側面としての波面計測装置は、複数の光源と、前記複数の光源から出射した複数の光をそれぞれ集光する複数のレンズと、前記複数の光の集光位置から発散して被検光学系に入射し、該被検光学系を透過した複数の第１透過光を反射する複数の反射面と、前記複数の反射面で反射して前記被検光学系と前記複数のレンズを再度透過した複数の第２透過光を受光する波面センサと、前記波面センサで受光した前記複数の第２透過光から前記被検光学系の複数の画角の透過波面を算出する演算手段を有し、前記複数の反射面は、前記被検光学系の光軸方向に並べられており、かつ、前記光軸に対する角度が互いに異なるように配置されており、前記複数の反射面のうち前記被検光学系から最も離れて配置された反射面以外の反射面は光の一部を透過することを特徴とする。

本発明の他の一側面としての波面計測装置は、光源と、前記光源から出射した光を複数の光に分割するビームスプリッタと、前記複数の光をそれぞれ集光する複数のレンズと、前記複数の光の集光位置から発散して被検光学系に入射し、該被検光学系を透過した複数の第１透過光を反射する複数の反射面と、前記複数の反射面で反射して前記被検光学系と前記複数のレンズを再度透過した複数の第２透過光を受光する波面センサと、前記波面センサで受光した前記複数の第２透過光から前記被検光学系の複数の画角の透過波面を算出する演算手段を有し、前記複数の反射面は、前記被検光学系の光軸方向に並べられており、かつ、前記光軸に対する角度が互いに異なるように配置されており、前記複数の反射面のうち前記被検光学系から最も離れて配置された反射面以外の反射面は光の一部を透過することを特徴とする。

尚、光学系を組み立てるステップと、上記の波面計測装置を用いて前記光学系の波面を計測することによって、前記光学系の光学性能を評価するステップを含むことを特徴とする光学系の製造方法も、本発明の一側面を構成する。

本発明の一側面としての波面計測方法は、複数の光源から出射した複数の光を複数のレンズを用いて集光し、前記複数の光の集光位置から発散して被検光学系に入射し、該被検光学系を透過した複数の第１透過光を複数の反射面で反射させ、前記複数の反射面で反射して前記被検光学系と前記複数のレンズを再度透過した複数の第２透過光を波面センサで受光させる測定ステップと、前記波面センサで受光させた前記複数の第２透過光から前記被検光学系の複数の画角の透過波面を算出する演算ステップを有する波面計測方法であり、前記複数の反射面は、前記被検光学系の光軸方向に並べられており、かつ、前記光軸に対する角度が互いに異なるように配置されており、前記複数の反射面のうち前記被検光学系から最も離れて配置された反射面以外の反射面は光を部分的に透過することを特徴とする。

本発明の他の一側面としての波面計測装置は、光源から出射した光を複数の光に分割し、前記複数の光を複数のレンズを用いて集光し、前記複数の光の集光位置から発散して被検光学系に入射し、該被検光学系を透過した複数の第１透過光を複数の反射面で反射させ、前記複数の反射面で反射して前記被検光学系と前記複数のレンズを再度透過した複数の第２透過光を波面センサで受光させる測定ステップと、前記波面センサで受光させた前記複数の第２透過光から前記被検光学系の複数の画角の透過波面を算出する演算ステップを有する波面計測方法であり、前記複数の反射面は、前記被検光学系の光軸方向に並べられており、かつ、前記光軸に対する角度が互いに異なるように配置されており、前記複数の反射面のうち前記被検光学系から最も離れて配置された反射面以外の反射面は光の一部を透過することを特徴とする。

本発明によれば、光学系の複数の画角の透過波面を高速に計測することができる。

本発明における実施例１の波面計測装置の概略構成を示す図。実施例１における被検光学系の透過波面の計測手順を示すフローチャート。本発明における実施例２の波面計測装置の概略構成を示す図。本発明における光学系の製造方法の製造工程を示す図。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施例について説明する。

図１は、本発明における実施例１の波面計測装置の概略構成を示している。計測装置１は、光源１０、１１、１２、ファイバ２０、２１、２２、レンズ３０、３１、３２、３５、３６、３７、ビームスプリッタ４０、４１、４２、ミラー５０、５１、５２、５３、反射板７０、７１、７２、波面センサ８０、コンピュータ９０で構成される。本実施例では、被検光学系６０はいくつかのレンズを組み合わせた光学系であり、波面計測装置１は被検光学系６０の複数の画角の透過波面を計測する。本実施例では、図１のＺ軸が被検光学系６０の光軸を表している。

複数の光源１０、１１、１２（例えば、レーザダイオード）からファイバ２０、２１、２２から出射した複数の光２００、２０１、２０２は、レンズ３０、３１、３２によってそれぞれ平行光となる。平行光となった複数の光２００、２０１、２０２は、それぞれビームスプリッタ４０、４１、４２を透過し、レンズ３５、３６、３７（複数のレンズ）で収束光となる。収束光２００は、被検光学系６０の焦点面１００上に集光し、焦点面１００上の集光位置から発散して被検光学系６０に入射する。収束光２００が集光する位置は、被検光学系６０の光軸（図１のＺ軸）上にある。収束光２０１、２０２は、それぞれミラー５０、５１とミラー５２、５３を介して被検光学系６０の焦点面１００上に集光し、焦点面１００上の集光位置から発散して被検光学系６０に入射する。収束光２０１、２０２が集光する位置は、光軸に関して対称である。

被検光学系６０の後方には、光の一部を透過する性質の反射板７０、７１、７２（例えばガラス板）が配置されており、それぞれ反射面７０ａ、７１ａ、７２ａを有する。反射板７０、７１、７２の他方の面７０ｂ、７１ｂ、７２ｂには反射防止膜が形成されている。反射面７０ａ、７１ａ、７２ａは、被検光学系６０の光軸方向に（光軸に関して直列に）並べられており、かつ、光軸に対する角度が互いに異なるように配置されている。本実施例では、反射面７０ａは、光軸に対して垂直に配置されている。

被検光学系６０を透過した複数の透過光２００ａ、２０１ａ、２０２ａ（複数の第１透過光）のうち、透過光２００ａは反射面７０ａにおいて、透過光２０１ａは反射面７１ａにおいて、透過光２０２ａは反射面７２ａにおいて、垂直に反射する。そして、複数の反射面７０ａ、７１ａ、７２ａのそれぞれにおいて反射した複数の第１透過光２００ａ、２０１ａ、２０２ａは被検光学系６０を再度透過する。被検光学系６０を透過した複数の第２透過光２００ｂ、２０１ｂ、２０２ｂは、集光レンズ３５、３６、３７を透過し、ビームスプリッタ４０、４１、４２で反射して、波面センサ（例えばシャックハルトマンセンサ）８０で受光される。

第１透過光２００ａ、２０１ａ、２０２ａは、反射面７０ａ、７１ａ、７２ａのすべてにおいてそれぞれ反射するので、３×３＝９つの反射光が発生する。上述の通り、このうち３つの光が反射面において垂直に反射し、残り６つの光は反射面において垂直以外の方向に反射する。垂直以外の方向に反射する光のうち、第１透過光２０１ａが反射面７０ａで反射する反射光は、第２透過光２０２ｂと同じ光路を進む。また、第１透過光２０２ａが反射面７０ａで反射する反射光は、第２透過光２０１ｂと同じ光路を進む。これは、光２０１と２０２が、被検光学系６０の焦点面１００において、光軸に関して対称な位置に集光され、かつ、反射面７０ａが光軸に対して垂直に配置されているために起こる現象である。そのため、光２０１が被検光学系６０に入射する際には、光２０２が被検光学系６０に入射しないように遮光する必要がある。また、光２０２が被検光学系６０に入射する際には、光２０１が被検光学系６０に入射しないように遮光する必要がある。本実施例では、光２０１と光２０２が同時に被検光学系６０に入射しないように、コンピュータ９０によって光源１１、１２の発光タイミングを制御している。尚、垂直以外の方向に反射する残り４つの光は、波面センサ８０に到達することはほとんどない。もし、それらの光が波面センサ８０に入射する場合は、焦点面１００に空間フィルタ（遮光部材）を挿入して遮光すればよい。

本実施例では、第２透過光２００ｂ、２０１ｂ、２０２ｂは、１つの波面センサ８０の受光面の異なる領域において受光される。コンピュータ（演算手段）９０は、それぞれの領域のデータを解析して、被検光学系６０の複数の画角の透過波面を算出する。

図２は、実施例１における被検光学系の透過波面の計測手順を示すフローチャートである。

まず、被検光学系６０を計測装置１に配置し、被検光学系６０と複数の反射面７０ａ、７１ａ、７２ａの傾きを調整する（ステップＳ１０）。このステップでは、複数の第１透過光２００ａ、２０１ａ、２０２ａが、それぞれ複数の反射面７０ａ、７１ａ、７２ａにおいて垂直に反射するように複数の反射面７０ａ、７１ａ、７２ａの傾きを調整する。そして、光２００、２０１、２０２が複数のレンズ３５、３６、３７を介して集光する位置と、被検光学系６０の焦点面１００が一致するように、被検光学系６０のＺ方向の位置（または被検光学系６０内部の光学素子の位置）を調整する。

そして、波面センサ８０で複数の第２透過光２００ｂ、２０１ｂ、２０２ｂを受光する（ステップＳ２０）。上述の通り、第２透過光２０１ｂを計測する際には光２０２が被検光学系６０に入射しないように、第２透過光２０２ｂを計測する際には光２０１が被検光学系６０に入射しないように、光源１１、１２の発光タイミングを制御する。尚、第２透過光２００ｂに関しては、第２透過光２０１ｂと第２透過光２０２ｂの少なくとも一方と同時に受光してもよいし、単独で受光してもよい。

最後に、波面センサ８０で受光した複数の第２透過光から被検光学系６０の複数の画角の透過波面を算出する（ステップＳ３０）。このステップでは、光源の発光タイミングに合わせて、波面センサ８０で得られたデータから第２透過光２００ｂ、２０１ｂ、２０２ｂそれぞれの受光領域を切り出し、それぞれの波面を回復する。それぞれの波面は、被検光学系６０の複数の画角の透過波面に相当する。

本実施例では、反射面７０ａ、７１ａ、７２ａすべてが光の一部を透過する面であったが、被検光学系６０から最も離れている反射面７２ａに限っては、部分透過面である必要はない（例えば、ミラーでよい）。すなわち、複数の反射面７０ａ、７１ａ、７２ａのうち被検光学系６０から最も離れて配置された反射面以外の反射面７０ａ、７１ａが光の一部を透過する反射面であればよい。

本実施例では、被検光学系６０を透過した複数の第１透過光は平行光であることを想定しているので、反射面７０ａ、７１ａ、７２ａに平面を使用している。複数の第１透過光が収束光または発散光の場合は、それぞれの光が元来た光路を戻るように、それぞれの反射面に曲率をもたせる必要がある。

本実施例では、被検光学系６０の３つの画角の透過波面を計測しているが、画角の数に制限はない。例えば、第２透過光２００ｂと２０１ｂ、または２０１ｂと２０２ｂのように２つの画角の透過波面だけ計測することもできる。または、計測装置１を図１の紙面奥行き方向（Ｘ軸方向）にも光学素子があるような立体的な配置に拡張し、５つの画角の透過波面を計測することもできる。光学素子の数を増やすことで、さらに多くの画角の透過波面を計測することができる。

本実施例では、光２０１と光２０２が同時に被検光学系６０に入射しないように、光源の発光タイミングを制御したが、その代わりに、機械的なシャッターによって光２０１と２０２の照射タイミングを制御してもよい。また、光軸に対して垂直に配置されている反射面７０ａを取り除けば、光２０１と２０２のお互いの迷光がなくなるため、光２０１と２０２を同時に照射することができる。また、特定の仮想平面１００において、光２０１と２０２が光軸に関して非対称な位置に集光されていれば、光２０１と２０２のお互いの迷光がなくなるため、光２０１と２０２を同時に照射することができる。

本実施例では、波面センサ８０にシャックハルトマンセンサを用いたが、その代わりに、干渉計（例えば、タルボ干渉計、フィゾー干渉計、トワイマングリーン干渉計など）を用いてもよい。

本実施例では、複数の光２００、２０１、２０２を生成するために複数の光源１０、１１、１２を用いたが、光源は複数である必要はなく、１つの光源からの光を複数に分岐して複数の光を生成してもよい。

図３は、本発明における実施例２の波面計測装置の概略構成を示している。計測装置２は、光源１３、ピンホール２５、レンズ３３、３５、３６、３７、ビームスプリッタ４０、４１、４２、４３、４４、ミラー５１、５２、５４、反射板７０、７１、７３、波面センサ８１、８２、８３、コンピュータ９０、空間フィルタ１０５を備える。

光源１３（例えば、ＨｅＮｅレーザ）から射出された光は、ピンホール２５、レンズ３３を通って平行光となり、ビームスプリッタ４４、４３を介して複数の光２００、２０１、２０２に分割される。光２００はビームスプリッタ４０で反射して、レンズ３５で被検光学系６０の焦点面１００上に集光される。光２０１は、ビームスプリッタ４１で反射し、レンズ３６、ミラー５１を経て焦点面１００上に集光される。光２０２は、ミラー５４、ビームスプリッタ４２で反射して、レンズ３７、ミラー５２を経て焦点面１００上に集光される。

本実施例では、焦点面１００上における光２０１と光２０２の集光位置は、被検光学系６０の光軸（Ｚ軸）に関して非対称になっている。光軸に関して非対称とは、例えば、光２０１の集光位置とＺ軸の距離が光２０２の集光位置とＺ軸の距離と異なる、または、光２０１の集光位置がＹＺ平面上にあるのに対して光２０２の集光位置はＹＺ平面状にない等を意味する。本実施例では、焦点面１００の位置に空間フィルタ１０５が配置されている。

焦点面１００上に集光された複数の光２００、２０１、２０２は、発散して被検光学系６０に入射し、被検光学系６０を透過して複数の第１透過光２００ａ、２０１ａ、２０２ａとなる。

被検光学系６０の後方には、光を部分的に透過する性質の反射板７０、７１（例えばガラス板）とミラー７３が配置されており、それぞれ反射面７０ａ、７１ａ、７３ａを有する。反射板７０、７１のもう一方の面７０ｂ、７１ｂには反射防止膜が塗布されている。反射面７０ａ、７１ａ、７３ａは、被検光学系６０の光軸方向に（光軸に関して直列に）並べられており、かつ、光軸に対する角度が互いに異なるように配置されている。反射面７０ａは、光軸に対して垂直に配置されている。

複数の第１透過光２００ａ、２０１ａ、２０２ａのうち、透過光２００ａは反射面７０ａにおいて、透過光２０１ａは反射面７１ａにおいて、透過光２０２ａは反射面７３ａにおいて、垂直に反射し、被検光学系６０を再度透過する。被検光学系６０を透過した複数の第２透過光２００ｂ、２０１ｂ、２０２ｂは、それぞれ集光レンズ３５、３６、３７とビームスプリッタ４０、４１、４２を透過して、波面センサ（２次元位相型回折格子を用いたタルボ干渉計等）８１、８２、８３で受光される。

第１透過光２００ａ、２０１ａ、２０２ａは、反射面７０ａ、７１ａ、７３ａのすべてにおいてそれぞれ反射するので、３×３＝９つの反射光が発生する。上述の通り、このうち３つの光が反射面において垂直に反射する。残り６つの光は反射面において垂直以外の方向に反射するが、空間フィルタ（遮光部材）１０５によって遮光されるため、波面センサ８１、８２、８３には到達しない。

本実施例では、複数の第２透過光２００ｂ、２０１ｂ、２０２ｂは、それぞれ別の波面センサ８１、８２、８３で受光され、コンピュータ（演算手段）９０によって被検光学系６０の複数の画角の透過波面が算出される。本実施例では、複数の光２００、２０１、２０２を同時に被検光学系６０に入射させて、複数の第２透過光２００ｂ、２０１ｂ、２０２ｂを同時に受光することができる。

実施例１、実施例２の波面計測装置を用いた光学系の製造方法について説明する。図４は光学系の製造方法を示している。

まず、複数の光学素子を用いて光学系を組み立て、各光学素子の位置を調整する。組み立て調整された光学系は、その光学性能が評価され、精度不足である場合は再度組み立て調整を行う。この光学性能評価に、実施例１または実施例２の波面計測装置を利用する。本発明の波面計測装置および波面計測方法によれば、光学系の複数の画角の透過波面を高速に計測することができるため、光学系の複数の画角の透過波面を確認しながら、各光学素子の位置を短時間で正確に調整することが可能となる。

以上、説明した各実施例は代表的な例に過ぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

１０、１１、１２光源
３５、３６、３７レンズ
６０被検光学系
７０ａ、７１ａ、７２ａ反射面
８０波面センサ

Claims

複数の光源と、
前記複数の光源から出射した複数の光をそれぞれ集光する複数のレンズと、
前記複数の光の集光位置から発散して被検光学系に入射し、該被検光学系を透過した複数の第１透過光を反射する複数の反射面と、
前記複数の反射面で反射して前記被検光学系と前記複数のレンズを再度透過した複数の第２透過光を受光する波面センサと、
前記波面センサで受光した前記複数の第２透過光から前記被検光学系の複数の画角の透過波面を算出する演算手段を有し、
前記複数の反射面は、前記被検光学系の光軸方向に並べられており、かつ、前記光軸に対する角度が互いに異なるように配置されており、前記複数の反射面のうち前記被検光学系から最も離れて配置された反射面以外の反射面は光の一部を透過することを特徴とする波面計測装置。
光源と、
前記光源から出射した光を複数の光に分割するビームスプリッタと、
前記複数の光をそれぞれ集光する複数のレンズと、
前記複数の光の集光位置から発散して被検光学系に入射し、該被検光学系を透過した複数の第１透過光を反射する複数の反射面と、
前記複数の反射面で反射して前記被検光学系と前記複数のレンズを再度透過した複数の第２透過光を受光する波面センサと、
前記波面センサで受光した前記複数の第２透過光から前記被検光学系の複数の画角の透過波面を算出する演算手段を有し、
前記複数の反射面は、前記被検光学系の光軸方向に並べられており、かつ、前記光軸に対する角度が互いに異なるように配置されており、前記複数の反射面のうち前記被検光学系から最も離れて配置された反射面以外の反射面は光の一部を透過することを特徴とする波面計測装置。
前記波面センサは、該波面センサの受光面の異なる領域において前記複数の第２透過光を受光することを特徴とする請求項１または２に記載の波面計測装置。
前記複数の第２透過光をそれぞれ受光する複数の波面センサを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の波面計測装置。
前記複数の反射面のうちの１つは、前記光軸に対して垂直に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の波面計測装置。
前記複数の光は前記光軸に関して対称な位置に集光される２つの光を含み、一方の光が前記被検光学系に入射するとき、他方の光が前記被検光学系に入射しないように、前記光源の発光を制御する制御手段を備えることを特徴とする請求項５に記載の波面計測装置。
前記複数の光は前記光軸に関して対称な位置に集光される２つの光を含み、一方の光が前記被検光学系に入射するとき、他方の光が前記被検光学系に入射しないように、光を遮るシャッターを備えることを特徴とする請求項５に記載の波面計測装置。
前記複数の光は前記光軸に関して互いに非対称な位置に集光されることを特徴とする請求項５に記載の波面計測装置。
前記複数の反射面において垂直以外の方向に反射した光を遮光する遮光部材を備えることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の波面計測装置。
前記遮光部材は、前記複数の光が集光する焦点面に配置されていることを特徴とする請求項９に記載の波面計測装置。
複数の反射板を備え、該複数の反射板の２つの面のうち一方の面が前記反射面であり、他方の面に反射防止膜が形成されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の波面計測装置。
光学系を組み立てるステップと、
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の波面計測装置を用いて前記光学系の波面を計測することによって、前記光学系の光学性能を評価するステップを含むことを特徴とする光学系の製造方法。
複数の光源から出射した複数の光を複数のレンズを用いて集光し、前記複数の光の集光位置から発散して被検光学系に入射し、該被検光学系を透過した複数の第１透過光を複数の反射面で反射させ、前記複数の反射面で反射して前記被検光学系と前記複数のレンズを再度透過した複数の第２透過光を波面センサで受光させる測定ステップと、
前記波面センサで受光させた前記複数の第２透過光から前記被検光学系の複数の画角の透過波面を算出する演算ステップを有する波面計測方法であり、
前記複数の反射面は、前記被検光学系の光軸方向に並べられており、かつ、前記光軸に対する角度が互いに異なるように配置されており、前記複数の反射面のうち前記被検光学系から最も離れて配置された反射面以外の反射面は光の一部を透過することを特徴とする波面計測方法。
光源から出射した光を複数の光に分割し、前記複数の光を複数のレンズを用いて集光し、前記複数の光の集光位置から発散して被検光学系に入射し、該被検光学系を透過した複数の第１透過光を複数の反射面で反射させ、前記複数の反射面で反射して前記被検光学系と前記複数のレンズを再度透過した複数の第２透過光を波面センサで受光させる測定ステップと、
前記波面センサで受光させた前記複数の第２透過光から前記被検光学系の複数の画角の透過波面を算出する演算ステップを有する波面計測方法であり、
前記複数の反射面は、前記被検光学系の光軸方向に並べられており、かつ、前記光軸に対する角度が互いに異なるように配置されており、前記複数の反射面のうち前記被検光学系から最も離れて配置された反射面以外の反射面は光の一部を透過することを特徴とする波面計測方法。
前記測定ステップにおいて、前記複数の第１透過光が、前記複数の反射面のうちいずれか１つの反射面において垂直に反射するように、前記複数の反射面の傾きを調整することを特徴する請求項１３または１４に記載の波面計測方法。
前記測定ステップにおいて、前記複数の光の集光位置が前記被検光学系の焦点面と一致するように、前記被検光学系の位置を調整することを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれか１項に記載の波面計測方法。